HART协议在多变量涡街流量计中的实现

引言

HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)协 议 是 美国 Rosemout公 司于 8O年 代 提 出的一种用于 现场 智 能仪表 和控制 室 设备通 讯 的协议 ，它 具 有兼 容 4—20mA模拟 信 号与 数字 通信 的性质 。符合 HART协议 的智 能流量 计不 仅可 以实现各种 流体 的检测 与就 地显示 ，而且 还可 以通 过上 位机进 行远 程设 定 ，改变流量计的零 点 、量程 ，以及完 成 自诊 断 等 功 能 ，在很 大程 度 上方便 了流量计的维 护 。本文所 研 究的 流量计 是在 现有 涡街流 量计 的基础 上 ．融入 了温 度 和压力 参 数的测 量 ，并将 HART通 讯协议 应 用 其 中 ．设 计 出 集 温 度 、压 力 、流 量 测 量 于 一 体 的带 有HART协议 的 多变 量 流量 计 。经研 究表 明 ，这种 多变量 涡街 流量计 不仅 能够测 量温 度 、压 力和流 量 ，而 且 符合 HART协 议规范 ，实现 了与上位 机 的远程 操作 ，因而 具有广 阔的发展 前景 。

1HART协议简 介

HART通 讯协 议 是 参 照 国 际标 准 化 组织 (IS0)的 “开 放 性 系统互 连 (osD”模 型标 准并 简 化 引用 其 中 3层 而 制 定 的 ，即 物 理层 、数据 链路 层和 应用 层 。

(1)物 理 层 规 定 了 HART通 信 的物 理 方 式 和 传 输 介 质 。HART协议 采用 了美 国 电话 通讯 系 统 Bell202标 准 ，在 4-20mA的模 拟信 号 上 叠加 幅度 为±O．5mA 的正 弦波 ，1200Hz代 表 逻辑 ”

1”．2200Hz代 表逻 辑 …0’。因为所 叠加 的正 弦信号 平均 值为 0，所以数 字通 讯信 号 不会干 扰 4～20mA的模拟 信 号 。

(2)数据 链路 层规 定 了数据 帧格 式 ，如 图 1所 示 。其可 寻址范 围是 0～15，当地 址为 0时 ，智能 变送器 处 于 4～20mA与数 字通讯兼 容状 态 ．当地址 为 l～l5时 ，则 处于全 数字通 讯 状态 ，这 时可联结 成 多站模 式 ，并通过全 数字通 讯状况 来寻找对 话的变送 器。马 永 成 ：硕 士 研 究 生(北京化工大学)马永成 莫德 举

Ma，Yongcheng Mo，Deju

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主 设备到从设备 的帧格式

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从设备到主设备的帧格式

图 1HART协议 的帧 格 式

(3)应用 层规 定 了 HART通 讯命令 的 内容 ，共分 为 3类 。类是通 用命 令 ，适用 于所 有 符合 HART协 议的 产 品，如 读制造厂 号 、产 品型 号 等 ；第 二类 是 普通 应 用命 令 ，适用 于 大 部分 符 合HART协议 的产 品 ，但不 同公司 的 HART产 品可 能 还略 有 区别 ，如写主 变量 单位 、微调 D／A 的零点等 。 以上两 大命令 规 定 了符合 HART通 信 协议 的产 品具有 一定 的互 换性 。第三 类是特 殊命令 ，它是各 公司 自己所 * 的 ，不 互相兼 容 ，如特 征 化 ，传感 器校正等 。

2基 于 HART协 议 的多变 量 涡街流 量 计

的硬 件设 计带有 HART通讯 协议 功 能的多 变量 涡街 流量 计 的硬 件系 统结构 如 图 2所 示 。 电路 采取模 块化 设 计 ，主 要 包含 了传 感器 模块 、MCU模 块 、HART通 讯模 块和 显示模 块 四个 部分 。放 波卜

首先 ．由传 感 器模 块测 得 的频 率 信 号经 放 大 、滤 波 、整 形 后送入 单片机 进行 线形 化处 理 、量程 转换 、累计流 量计 算和 单位 转换等 。而 获得 的温 度 和压 力信 号送 入 A．，D转 换器 中 ，通 过模 数转换 进入 单片 机 中 。一方 面 经过 MCU处 理直 接送 入显 示模块 进行显 示 ：另 一方面 通过 计算 公式对 得 到的流 量值 进行 温压 补偿 。然 后 ．经过 温压 补偿 后 的流量 信号通 过 HART通 讯模 块实现 与上 位机 的远程 通 讯。

2．1HART通讯 模块 设计

HART通 讯模 块部 分 主要 由 D／A转 换器 和 Bel202MODEM及其 附属 电路来 实现 ，部分 电路 连接 如 HART通讯 模块 电路 图略。其 中，D／A转 换器 的作 用是 直接将 主 要变量 的数 字信 号转 换成 4—20mA 电流 输 出 ．Bell202MODEM及 其 附属 电 路 的作 用 是对叠 加在 4-20mA环 路上 的信 号进 行 带通 滤波 放 大后 ，对 获得的信 号进 行调 制或解 调 。

D／A转换 器采用 AD421．它是 美 国 ADI公司推 出的 一种单片 高性 能数 模转 换器 ，由环 路供 电，16位数 字信 号 以串行 方 式输 入 ，可 以将 数 字信 号直接 转换 成 4—20mA 电流 输 出 。它 提供 了高精度 、全 集成 、低 功 耗 的解 决 方 案 ，采 用 16引脚 DIP、TSSOP、IF) ／ 、 中国自控网：http：／／www．autocontro1．cn目自控霸邮局订阅号 ：82—946 120元 ，年 一13—维普资讯 中文核心期刊 《微计算机信息》(测控自动化)2005年第 21卷第 1期

SOIC封装 ，可 实现低 成 本 的远 程 智 能工 业控 制 。AD421除了 能

进 行 串行 16位 D／A转 换 外 ，还 提 供 可 选 择 的 (5V、3．3V 或 3v)

稳压输出以供电路其它部分的用电

HARTMODEM 采 用 Smar公 司 的 HT2012．它 是 符 合 Bell

202通 讯标准 的半双 工 调 制解调 器 ．实现 HART协议 规 定 的数字通 讯 的编码 和译 码 ，采用 16脚 DIP和 28脚 PLCC封装 。附属 电路主要实现信号的滤波整形，由带通滤波器和方波整 形 电路 组成 (见 图 3和 图 4)。其 中 ，方 波整 形 电路将 HT2012输 出 的电压信 号 整形 为方波 。产 生数字 电路所要 求 的陡峭 的上升 沿和 下 降沿 ．然后 通过 电容 耦合 到 AD421的 C3端 口。带 通滤波 器 由两片低 功耗 运算 放大 器及 电阻 、电容组 成 ，其通 带频 率大约为 950-2550Hz 它将 4-20mA环 路上±0．5mAHART电流信 号转换成 电压信号，经过 HT2012解调 ，再送入单片机 串行通讯接口中．从而 完成 数据 接 收任 务 。

由于 本 流量 计 采 用 电源 线和 信 号线 复 用 的两 线 制方 式 ，其电路 消耗 的 电流 加 上 0．5mA的 HART正弦 调 制 波信 号 电 流不得 超 过 4mA 的回 路 电流 ，即系 统 功 耗 必须 小 于 3．5mA，所 以硬件 设 计必须 符 合低 功耗 条 件 ，这 也是 HART通 讯模 块 设计 的关键 和最 大难 点 。以往 国内有采 用 软件 降低功 耗 的做法 ，但 此举 降低 了单 片机 运算 和 处理数 据 的能力 ，而且 可能 会在 某些情 况 下无法 兼 顾 HART通 讯 、准 确 定 时和 低 功 耗 三个 方 面 ，所 以在 这里 ．笔者 采用 了纯硬 件 的方法 来 降低 功耗 。

经 过 多 方 面 选 择 和 比较 ，最 终 所 选 用 的 A／D、D／A、EEP-ROM、液 晶显 示 器件 以及 频 率信 号 放 大 电路这 几 部 分 的 电流 之和 不 超 过 2．2mA MCU 部 分 选 用 了 以低 功 耗 为 特 征 的 MI-CROCHIP 公 司 的 PIC16F877芯 片 ，它在 1．8432MHz下工 作 电流小于 0．8mA 压 力和温 度测 量 电路 部分 则采 用 了 0．5mA 的恒流源 串联 供 电 。这 样 整 个 系 统 的 电流 不 超 过 3．5mA，完 全 符 合HART协议 的要 求 ．可 在此 基础 上 叠加 HART信 号 ，保证 总 电流不 会超 过 4mA。

由于 HT2012芯 片 需 要 外部 提 供 460．8kHz的时 钟信 号 ，且要求 其偏 差在 ±0．1％的 范 围内 ，故 必须 使 用振 荡 频率 稳 定 的晶振 但 是 ．晶振 的 功耗较 大 ，加入 一 片 460．8kHz的晶振 后 ，系统的 功 耗 电 流 明 显 增 加 ，超 出 了 HART 协 议 的 要 求 ，而 且460．8kHz的晶振 并非 标准 晶振 ，需 要专 门定 制 。

为避 免专 门定 制 晶振和 使用 功耗 较大 的 晶振 电路 ，这 里利用 通用数 字 集成 电路 74系列搭 建 一个 串联谐 振式 振荡 器 ，以产生 1．8432MHz的频率 信 号。再利 用 分频 器对 其 四分 频 ，从 而 获得 一个 460．8kHz的 时钟信 号送 给 HT2012。经 实验 表 明 ，该信 号完 全符 合 HT2012的 时钟信 号 要 求 ，而 且 在 不增 加 芯 片 的基础上保证 了较低 的功耗。

3HART通 讯协 议的 软件设 计

HART通 讯软 件亦 即 HART协议 数据 链 路层 和应 用 层 的软件 实现 ，是 HART多 变量 涡街 流量 计 的设计 重点HART协议 通过 MCU的 串行 口采用 主 从方式 进 行通 讯 流量计 在上 位 机询 问时发 出应 答信 号 ，通 过 HT2012实 现 数据 的接 收和发 送 。先 由上 位机 发送 命令 帧格 式 ．涡街 流量 计 由 串行 口中断接 收 到命 令 帧后 ，由 MCU作相 应 的数 据 处理 ．然 后将 处 理过 的数 据整 理后 作 为应 答 帧 的内 容放 入发 送 缓冲 区 ．再 由 MCU触 发发 送 中断 ，发 出应答 帧 ，从而 完成 一 次命令 的交 换 。接 收数据 时 ．若 该流量 计检 测到 数据 有错 ．则等到 上位 机命 令帧 发送 完以后 ．它 发出置 有相 应错 误状 态位 的应 答帧 ，告知上 位机 数 据接收有误 ，上位 机 接 收该 应 答帧 后 ，则重 发命 令 帧 ，从而 保 证通 讯的准确 无误 基 本 的串行 中断程 序框 图如 图 5所 示 。图 5 串行 中断程 序框 图

4结束语

研究表明，这种多变量涡街流量计不仅具有普通仪表的量程 、零 点 、单位 转换 等 功能 ，而且 符合 HART协 议 的要求 ，可与上位 机进 行远 程操 作 ，由上 位机 远程 读取 瞬时 流量 、累 积流量等 参 数 ，或对 量程 、零 点 、单位 等进 行设 置 ，便于 实时 监控 。同时 ，由于 引入 了温度 、压 力信 号 的多变 量测 量 ，涡街 流量 计 的测量 精度大 为提 高 。因此 ，这种 带有 HART协议 的多变量 涡街 流量 计在 国 内具 有 良好 的发展前景 。